Wärme & Kälte Dialog: Innovationen für die Fernwärme

Sebastian Herkel: "Spannende Frage: Was haben wir denn für Laufzeiten? Seit wann haben wir den Messbetrieb? Wir haben diese drei Geräte, die wir in Rosenheim installiert haben, und dort sind wir jetzt seit fast drei Jahren im Betrieb. Wir haben die Anlage der MVV, die seit Ende 2023 im Betrieb ist. Wir haben die Anlage beim Fernheizwerk Neukölln, die nach Herausforderungen bei der Inbetriebnahme und Störungen, die da waren, dann ab März 2025 in Betrieb ist. Und wir haben die EnBW, die Anfang 2024 in Betrieb gegangen ist.

Was können die Anlagen, was ist gemessen worden? Zunächst mal der COP. Das liegt jetzt in Stuttgart bei rund 2,8, in Mannheim auch bei 2,8 über das Betriebsmittel. In Rosenheim etwas niedriger und in Neukölln, mit einer durchaus anderen Betriebsweise, bei den Daten, die wir bis jetzt gesehen haben, bei 5,6. Wenn man sich dann die Gütegerade dazu anschaut, dann liegt der in Stuttgart bei 47 %, Mannheim 42 %, Rosenheim 50%. Und wenn man sich jetzt diese Kennwerte oder Gütegerade auch im Verhältnis zu den Temperaturen anschaut, da sieht man – typische Fernwärmeanwendung – dass wir in Stuttgart eben Temperaturhub von 64 Kelvin haben, in Mannheim sogar 75, Rosenheim auch, 76 sogar, und in Neukölln, einen relativ kleinen Temperaturhub, was natürlich dann auch entsprechend den COP nach oben treibt.

Von den Quellentemperaturen kann man ziemlich gut ablesen: Wie ist denn die Situation? Da sieht man hier in Rosenheim mit den 9,7 Grad [Quelltemperatur], dass es eben deutlich kälter ist. In Neukölln ist es eben diese Abwärmenutzung aus den BHKWs, Rücklaufanhebung, und die beiden großen Fließgewässer Rhein und Neckar. Und insofern ist so das Fazit aus der ganzen Effizienzbetrachtung für diese Querevaluierung das: Die Erwartungswerte der Leistungsfähigkeit entsprechen der Planung. Also die werden erreicht und das ist zunächst mal ein ganz wichtiges Ergebnis: Planung und Geräte machen das, was sie sollen."

Sebastian Herkel: "Wie viele Zyklen haben wir da eigentlich? Bei welchen Zeiten? Was man da sieht, ist, dass die typischen Laufzeiten in der Mitte bei elf Stunden lagen. Und zwar ziemlich quer über alle Projekte. Und das heißt, wir erleben dort im realen Betrieb deutlich höheres Aufkommen an Start-Stopp-Vorgängen gegenüber der ursprünglichen Konzeptionierung, die, sagen wir mal ganz klassisch „Im Winter läuft das Ding so in der Baseload und im Sommer wird es rausgenommen“ [war]. Und das ist etwas, was wir so gar nicht sehen. Und was natürlich dann bei der Auslegung auch der Stabilität in Bezug auf Zyklen oder ähnlichen Dingen in Zukunft, glaube ich, genau beachtet werden sollte.

Wenn wir jetzt uns anschauen, wann und wie sind diese Anlagen gelaufen? Da sehen wir, sagen wir mal, zwischen den Anlagen, die sich frei am Energiemarkt über Day-Ahead-Preise refinanzieren auf der Stromseite, Unterschiede zu den Laufzeiten der Anlagen, die ihre Wirtschaftlichkeit über die Teilnahme an einem Förderregime für Kraft-Wärme-Kopplung bekommen, weil ich dort einfach Mindestanforderungen der Laufzeiten habe. Und die sind einfach etwas anders als die Laufzeiten der Anlagen bei dem Energiemarkt. Und was ganz wichtig ist bei dieser Gesamtbewertung: Ohne dass man den Kraftwerksverbund versteht, ist es nicht ganz einfach, diese Dinge sauber vorherzusagen." 

Mathias Safarik: "Es ist ein Kaltdampf-Kompressionskälteverfahren, wie es auch in anderen Wärmepumpen funktioniert. Allerdings mit dem Unterschied, dass das Kältemittel Wasser hier zum Einsatz kommt. Das heißt, in der Anwendung Gewässerthermie kommt jetzt Wasser, aus dem Fluss zum Beispiel, in den Verdampfer. Dort wird Wasser verdampft. Der Wasserdampf wird von einem Turboverdichter auf ein höheres Druckniveau gefördert und dann, in einem Direktkondensator, wird der Wasserdampf wieder kondensiert und gibt dabei die Kondensationswärme ab.

Warum heißt das Verfahren Tripelpunktverfahren? Weil im Verdampfer bei einer Temperatur von null Grad Celsius Tripelpunkt-Bedingungen vorliegen. Der Tripelpunkt ist ja der Punkt im Phasendiagramm, wo die drei Zustandsphasen „fest“, „flüssig“ und „gasförmig“ aufeinandertreffen. Bei Wasser sind das sechs Millibar und null Grad Celsius.

Der spannende Prozess findet jetzt an der Wasseroberfläche statt. Wenn nämlich das Wasser eine Temperatur von null Grad Celsius hat und der Dampf hier abgesaugt wird, dann hat dieses System das Bestreben, den Wasserdampf nachzuliefern, quasi wieder das Gleichgewicht herzustellen. Also es wird Wasser verdampfen und für diese Verdampfung ist Wärme notwendig, die aber jetzt nicht von einem Wärmeübertrager irgendwie zugeführt wird, sondern die zur Verdampfung notwendige Wärme wird den flüssigen, zurückbleibenden Wassermolekülen entzogen, die dabei einfrieren. Und deswegen wird dieser Prozess quasi von den beiden latenten Wärmen – der Verdampfungsenthalpie, die ist sehr groß bei Wasser, 2500 Kilojoule pro Kilogramm, und der Schmelzenthalpie, 333 Kilojoule pro Kilogramm – bestimmt. Das heißt, wenn ein Wassermolekül verdampfen soll, dann müssen siebeneinhalb Wassermoleküle von null Grad Celsius Wasser flüssig zu null Grad Celsius Eis gefrieren, geben dabei diese Schmelzenthalpie an das zu verdampfende Molekül ab. Und dieses Dampfmolekül hat jetzt diese hohe Energie in sich, zwar bei null Grad Celsius, aber trotzdem sehr energiereich. Und diese Energie wird dann durch die Druckerhöhung, die der Turboverdichter leistet, quasi auf ein erschließbares Temperaturniveau gebracht und dann der Wärmepumpe zur Verfügung gestellt."

Manuel Riepl: "Nichtsdestotrotz gibt es – und das ist aber auch tatsächlich netzabhängig oder anwendungsabhängig – interessante Optionen für die Absorptions-Wärmepumpe. Und hier, so wie sie als Übergabestation jetzt mal definiert ist, ist sie vor allem oder eigentlich fast ausschließlich für die dezentrale Anwendung gedacht, nämlich an Orten im Netz, wo ein Engpass besteht oder wo eben das Temperaturgefälle zwischen dem Hauptnetz und einem Subnetz beispielsweise groß genug ist. Wir sind gerade dabei, das mit kleinen Netzbetreibern abzustimmen und umzusetzen. Wie gesagt, die Randbedingung, die man finden muss für diese Anwendung ist ein möglichst hohes Temperaturgefälle. Dort, wo die Exergie-Verschwendung am offensichtlichsten ist, dort lohnt es sich am ehesten."